El alto costo de los catalizadores de platino utilizados en las pilas de combustible de hidrógeno limita la comercialización de vehículos eléctricos de pila de combustible. Los científicos están estudiando catalizadores alternativos para aumentar la rentabilidad y mantener la eficiencia de las pilas de combustible de hidrógeno.

Los investigadores buscan cada vez más los sistemas de pilas de combustible de hidrógeno como fuentes de energía alternativas para vehículos y otras aplicaciones debido a su rápido tiempo de repostaje. alta densidad energética y ausencia de emisiones o subproductos nocivos.

Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado y estudiado recientemente catalizadores de pilas de combustible (sustancias químicas que aceleran reacciones importantes de las pilas de combustible) que no utilizan platino. La investigación proporciona una mejor comprensión de los mecanismos que hacen que estos catalizadores sean efectivos, y los nuevos conocimientos podrían ayudar a informar la producción de catalizadores aún más eficientes y rentables.

Las celdas de combustible de hidrógeno disponibles comercialmente se basan en la reacción de reducción de oxígeno (ORR), que divide las moléculas de oxígeno en iones de oxígeno y las combina con protones para formar agua. La reacción es parte del proceso general de la pila de combustible que convierte el hidrógeno y el oxígeno del aire en agua y electricidad. La ORR es una reacción relativamente lenta, limitando la eficiencia de la pila de combustible y requiriendo una gran cantidad de catalizador de platino.

"En la actualidad, la reacción de reducción de oxígeno se ve facilitada por catalizadores de aleación de platino, que son el componente más caro de los electrodos de la pila de combustible, "dijo Deborah Myers, químico senior y líder del grupo de materiales de pilas de combustible e hidrógeno en la división de ingeniería y ciencias químicas (CSE) de Argonne. "Generalizado, La comercialización sostenible de vehículos eléctricos de pila de combustible requiere una reducción drástica en la cantidad de platino requerida o el reemplazo de catalizadores de platino por aquellos hechos de abundantes en la tierra. materiales económicos como el hierro ".

El catalizador sin platino más prometedor para su uso en la ORR se basa en hierro, nitrógeno y carbono. Para producir el catalizador, los científicos mezclan precursores que contienen los tres elementos y los calientan entre 900 y 1100 grados Celsius en un proceso llamado pirólisis.

Después de la pirólisis, los átomos de hierro en el material están unidos con cuatro átomos de nitrógeno e incrustados en un plano de grafeno, una capa de carbono de un átomo de espesor. Cada uno de los átomos de hierro constituye un sitio activo, o un sitio en el que pueda ocurrir la ORR. Una mayor densidad de sitios activos en el material hace que el electrodo sea más eficiente.

"Los mecanismos por los cuales se forman los sitios activos durante la pirólisis son todavía muy misteriosos, ", dijo Myers." Observamos el proceso en tiempo real a escala atómica para comprender e informar el diseño de catalizadores de mejor rendimiento ".

Myers y sus colaboradores llevaron a cabo una espectroscopia de absorción de rayos X in situ en el Equipo de Acceso Colaborativo de Investigación de Materiales (MR-CAT) en la Fuente de Fotones Avanzada de Argonne (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE de EE. UU. para descubrir el comportamiento del material a escala atómica durante la pirólisis. Apuntaron un haz de rayos X a través del hierro, precursores de nitrógeno y carbono y observaron qué elementos se unían químicamente entre sí y cómo.

Los científicos descubrieron que durante la pirólisis del hierro, mezcla de precursores de nitrógeno y carbono, los sitios de nitrógeno-grafeno se forman primero, y luego los átomos de hierro gaseoso se insertan en estos sitios. También encontraron que pueden producir una mayor densidad de sitios activos en el catalizador insertando primero nitrógeno en el carbono. utilizando una técnica llamada dopaje, y luego introducir hierro en el sistema durante la pirólisis, en lugar de calentar los tres componentes juntos.

Durante este proceso, los científicos colocan el carbono dopado con nitrógeno en el horno, y los átomos de hierro gaseoso se insertan en vacantes en el centro de grupos de cuatro átomos de nitrógeno, formando sitios activos. Este enfoque evita la agrupación y el entierro de átomos de hierro en la mayor parte del carbono, aumentando el número de sitios activos en la superficie del grafeno.

El estudio fue parte de un proyecto más grande financiado por la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible del DOE, denominado Consorcio de Electrocatálisis (ElectroCat), destinado específicamente a impulsar el desarrollo de catalizadores sin platino para pilas de combustible.

ElectroCat está dirigido por Argonne y el Laboratorio Nacional de Los Alamos del DOE y tiene miembros que incluyen el Laboratorio Nacional de Energía Renovable del DOE y el Laboratorio Nacional Oak Ridge. Este estudio surgió de una colaboración entre ElectroCat y Northeastern University.

"Nuestra misión como uno de los principales miembros del laboratorio nacional de ElectroCat es no solo desarrollar nuestros propios catalizadores en el consorcio, sino también para apoyar las colaboraciones con universidades y la industria, "dijo Myers.

Las conclusiones de este estudio ayudan a cerrar la brecha de conocimiento entre los precursores de entrada y la estructura resultante del catalizador después de la pirólisis. El descubrimiento fundamental brinda a los científicos una vía para aumentar la densidad del sitio activo en el material, y el grupo seguirá desarrollando catalizadores libres de platino más activos y estables para su uso en pilas de combustible de hidrógeno.

Un documento que describe los resultados del estudio, titulado "Vía de evolución de los compuestos de hierro a los sitios Fe1 (II) -N4 a través del hierro en fase gaseosa durante la pirólisis, "se publicó el 27 de diciembre 2019, en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .